高爐TRT系統(tǒng)10 kV配電柜渦流發(fā)熱問題處理

劉 洋，杜建華，張少偉，余 斌，范旭庚，李昕洋，安慶龍

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵作業(yè)部，河北唐山 063299）

高爐TRT系統(tǒng)10 kV配電柜渦流發(fā)熱問題處理

劉 洋，杜建華，張少偉，余 斌，范旭庚，李昕洋，安慶龍

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵作業(yè)部，河北唐山 063299）

針對(duì)在某鋼鐵廠高爐區(qū)域TRT高壓配電室出現(xiàn)的高壓柜穿線套管異常發(fā)熱問題來探討配電柜渦流發(fā)熱現(xiàn)象，并運(yùn)用電磁學(xué)基本原理與微積分進(jìn)行簡單的定量分析，發(fā)現(xiàn)影響渦流發(fā)熱的因素有：導(dǎo)磁體的厚度、導(dǎo)磁率、電流頻率、最大電流及套管寬度等，并據(jù)此解決了TRT發(fā)電機(jī)配電柜體發(fā)熱問題。

渦流發(fā)熱；導(dǎo)磁率；磁場強(qiáng)度；套管

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.27

0 前言

隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大容量設(shè)備被投入工業(yè)生產(chǎn)中。因大電流漏磁通產(chǎn)生的渦流發(fā)熱問題應(yīng)引起設(shè)計(jì)、電氣供配電部門的重視。某鋼鐵廠高爐區(qū)域設(shè)有2臺(tái)36 500 kW TRT 發(fā)電機(jī)（Top gas pressure Recovery Turbine，TRT，高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置），單臺(tái)負(fù)荷電流一般在1700 A。其中1#TRT發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)配電室內(nèi)發(fā)電機(jī)斷路器柜與發(fā)電機(jī)計(jì)量柜間穿線套筒附近出現(xiàn)90℃左右的高溫，發(fā)電機(jī)被迫停機(jī)，停電檢查。

1 問題分析

發(fā)熱處在配電室內(nèi)發(fā)電機(jī)斷路器柜與發(fā)電機(jī)計(jì)量柜間穿線套B相母排與A、C相母排之間（圖1），最高溫度測得94℃，而環(huán)境溫度僅25℃，溫升已到達(dá)69 K，超過40 K的規(guī)定值。分析配電柜體發(fā)熱的原因：①動(dòng)靜觸頭接觸不良或虛接，導(dǎo)致接觸電阻大，接觸面發(fā)熱；②靜觸頭與母線或母線連接點(diǎn)螺栓緊固不到位，致使接觸壓力不足，接觸電阻大；③斷路器回路電阻超標(biāo)；④輔助通風(fēng)冷卻方式不合理或不妥善；⑤渦流效應(yīng)引起局部發(fā)熱；⑥母線選用規(guī)格偏小，在大電流情況下引起導(dǎo)線發(fā)熱；⑦母線材料不符合要求。停電后打開母線室對(duì)熱源區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)在發(fā)熱點(diǎn)附近沒有受熱灼燒痕跡。對(duì)母排所有螺栓緊固情況進(jìn)行了檢查未發(fā)現(xiàn)異常。動(dòng)靜觸頭接觸良好，動(dòng)觸頭固定彈簧拉力正常。載流母排為雙排TMY-100×10，滿足載流要求。通過多次測量發(fā)熱區(qū)域約3.2 m的回路電阻，三相測得的最大電阻分別為 A 相 26.0 μΩ，B 相 22.6 μΩ，C 相 19.4 μΩ。計(jì)算得到平均電阻率為 0.016 25 Ωmm2/m，小于 GB 5585.2—1985《電工用銅、鋁及合金母線》中規(guī)定的TMY型母排最大電阻率為0.017 77 Ωmm2/m的規(guī)定，電阻合格。但發(fā)電機(jī)計(jì)量柜在設(shè)備安裝時(shí)為裝配外方電流互感器，對(duì)原廠柜體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，將自上而下A，B，C相排列順序改為B，A，C相，且三相母排間距不相同。基于以上分析，技術(shù)人員初步推斷發(fā)熱現(xiàn)象可能與渦流效應(yīng)有關(guān)，并進(jìn)行了針對(duì)性的檢驗(yàn)。

渦流即交變電流會(huì)在導(dǎo)體四周產(chǎn)生變化的感應(yīng)磁場，由此會(huì)造成磁力線與導(dǎo)體間相互切割，從而產(chǎn)生路徑如水中漩渦的電流。一般情況下，渦流在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生熱量，所消耗的能量來源于建立變電磁場的能源。

正常情況時(shí)，三相母排通過的電流波形如圖2所 示 ，ia=Imsinωt，ib=Imsin（ωt-120°），ic=Imsin （ωt+120°）。由圖 2 可看出，在任意時(shí)刻，A，B，C 三相的電流的方向總是不完全相同的，而三相電流會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場，磁場方向遵守右手螺旋定則，各相周圍磁場方向也不全相同，各相周圍磁場可矢量疊加。在發(fā)熱套管區(qū)域外圍由于磁場的正負(fù)疊加，基本相互抵消。而A，B，C 相間部分總是會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的磁場強(qiáng)度。當(dāng)電流方向出現(xiàn)圖3所示情況時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，三相電流在B相與A，C相之間都產(chǎn)生由左向右的感應(yīng)磁場，此時(shí)三相的磁場疊加，發(fā)熱處磁場強(qiáng)度最強(qiáng)。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，變化的磁場產(chǎn)生變化的電流，在強(qiáng)磁場處感應(yīng)的渦流最大，渦流通過渦流回路的電阻從而產(chǎn)出熱量。為了弄清這個(gè)問題，引入電磁學(xué)部分基本公式進(jìn)行說明。在渦流回路中，渦流熱效應(yīng)的損耗功率可計(jì)算為Pwl=e2/r，式中，e為產(chǎn)生渦流的感應(yīng)電動(dòng)勢；r為參考點(diǎn)處的回路電阻。由此得到e與磁場強(qiáng)度的關(guān)系：e=dΦ/dt，Φ=BS，B=Hμ，然后由安培環(huán)路定理得到H與主回路電流的關(guān)系。定量分析時(shí)，選取一個(gè)參考點(diǎn)（圖4），L為兩母排間的距離，l為參考點(diǎn)距B相母排的距離，h為支撐結(jié)構(gòu)的厚度，dl與dr為參考點(diǎn)的寬、長。

圖1 柜內(nèi)銅排布置

圖2 三相電流瞬時(shí)相位示意

圖3 三相磁場疊加示意

圖4 參考點(diǎn)示意

由安培環(huán)路定律，參考點(diǎn)處的疊加磁場強(qiáng)度見（1）式。

參考點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度即得到（2）式。

由于所取參考點(diǎn)厚度為h，長度取微分值dl，則有磁通為（3）式。

與ia=Imsinωt，ib=Imsin（ωt-120°），ic=Imsin（ωt+120°）聯(lián)立，即可求得感應(yīng)電動(dòng)勢，見（4）式。

由于電流ia，ib均為關(guān)于時(shí)間t的表達(dá)式，對(duì)t求導(dǎo)后，上式得出的de是一個(gè)以l為微分量的表達(dá)式。下面對(duì)整個(gè)相間導(dǎo)磁體寬度求積分為（5）式。

ω=2πf，在我國電流頻率為 50 Hz，那么ω=314；那么得到（6）式。

由Pwl=e2/r可得（7）式。

式7中，發(fā)現(xiàn)渦流的損耗功率與母排穿過導(dǎo)磁體的厚度、導(dǎo)磁率、電流頻率、最大電流成正比；與導(dǎo)磁體的電阻率成反比；套筒寬度D也是會(huì)影響渦流損耗功率的。假如式（7）其他值均一定，討論D對(duì)dPwl的影響。此時(shí)dPwl可以看做以下函數(shù)見（8）式。

其中，a是常數(shù)，x即為D，y即為 dPwl，設(shè)L=2，且 0.15＜x＜0.5時(shí)，看y的值是否隨著x的增大而增大，通過MATLAB分析，程序如下：

圖5 分析所得函數(shù)圖像

由圖5可知，隨著x的增加，y的值趨于線性增加。由此套筒半徑D對(duì)dPwl的影響存在，即D越大，渦流熱功率就越大。

解決現(xiàn)場問題的時(shí)，出于發(fā)電效益考慮，限制母線最大電流值勢必影響發(fā)電量，因此毫無意義；而導(dǎo)磁體即配電柜體的厚度，決定了其配電柜的機(jī)械強(qiáng)度，為限制渦流而改用輕薄的柜體勢必會(huì)影響電力設(shè)備的安全運(yùn)行；電流頻率是無法改變的；最后將導(dǎo)磁率與套筒半徑作為改善渦流發(fā)熱的關(guān)鍵因素，降低母線周圍支撐體的磁導(dǎo)率、合理運(yùn)用小口徑的套筒理論上是可以解決發(fā)熱問題的，而且也較容易做到。比如：在大電流通過的套管時(shí)，相間可做20 mm左右的隔斷槽并銅焊，來阻斷磁路；或者把支撐構(gòu)架整體換成非導(dǎo)磁材料。

2 結(jié)語

經(jīng)討論采取整體更換配電柜的柜間隔板的方案，將事故發(fā)生前配電柜體采用的導(dǎo)磁材料鍍鋅鋼板，更換為不導(dǎo)磁的不銹鋼板，并更換口徑較小的套管。運(yùn)行后，發(fā)熱位置溫度明顯下降，溫升大約持續(xù)在20 K左右，到達(dá)改造效果。本次發(fā)熱故障提醒我們電氣渦流發(fā)熱問題在供配電專業(yè)領(lǐng)域里，是一個(gè)不容忽視的安全隱患，在日常點(diǎn)巡檢工作中應(yīng)完善檢查標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)刻注意尤其是大電流配電設(shè)備溫度變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并消除其不利影響。

［1］周旭東.電機(jī)學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［2］姚正武.降低變壓器二次側(cè)箱蓋的渦流發(fā)熱［J］.電氣時(shí)代，2005（7）:100-102.

［3］周鶴良.電氣工程師手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2008.

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〔編輯 凌 瑞〕